(57)【要約】【課題】簡単な構成で、速やかに水素への置換を行うことを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１０であって、燃料電池スタック１００と、前記燃料電池スタックのスタック積層方向の第１の側に接続された燃料ガス供給部２００と、前記第１の側と反対側の第２の側に接続された第１の燃料ガス排出部４００と、前記第１の側に接続された第２の燃料ガス排出部５００と、前記燃料ガスの前記燃料電池スタックへの供給、排出を制御する制御部６００とを備え、前記制御部は、前記燃料電池スタック起動時に、前記第２の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると共に前記第１の燃料ガス排出部からガスを排出させて、前記燃料電池スタック内のガスを前記燃料ガスに置換させ、燃料ガスへの置換後、前記第１の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記第２の燃料ガス排出部からガスを排出させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックのスタック積層方向の第１の端部に接続された燃料ガス供給部と、
前記第１の端部と反対側の前記燃料電池スタックの第２の端部に接続された第１の燃料ガス排出部と、
前記第１の端部に接続された第２の燃料ガス排出部と、
前記燃料ガスの前記燃料電池スタックへの供給、排出を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックの起動時に、前記第２の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると共に前記第１の燃料ガス排出部からガスを排出させて、前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路中の残存ガスを前記燃料ガスに置換させ、
前記燃料ガスへの置換後、前記第１の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させるとともに、前記第２の燃料ガス排出部からガスを排出させる、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の燃料ガス排出部は、予め定められた圧力以上で開弁して、前記燃料電池スタック内のガスを排出するための排気弁を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１の燃料ガス排出部は、さらに、
前記排気弁から排出されたガスを一時的に貯留するバッファタンクと、
前記バッファタンクの下流側に接続され、前記バッファタンク内のガスを排気するための第２の排気弁と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３の記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給部は、
燃料タンクと、
前記燃料タンクと前記燃料電池スタックの間に配置される燃料ガス供給圧力調整部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給部に対して前記燃料電池システムの通常運転時における前記燃料ガスの供給圧力よりも高い圧力で前記燃料ガスを供給させる、燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池システムの起動方法であって、
（ａ）燃料電池スタックの起動時に、燃料タンクから燃料電池スタックのスタック積層方向の第１の端部から燃料ガスを供給し、
（ｂ）前記第１の端部と反対側の前記燃料電池スタックの第２の端部に接続された第１の燃料ガス排出部から前記燃料電池スタック内のガスを排出しながら燃料ガスに置換し、
（ｃ）燃料ガスへの置換後、前記第１の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記第１の端部に接続された第２の燃料ガス排出部からガスを排出させる、燃料電池システムの起動方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記（ａ）の工程において、前記燃料ガスを通常運転時の圧力よりも高い圧力で供給し、
前記（ｂ）の工程において、前記燃料電池スタック内の圧力が予め定められた圧力以上になったときに、前記第１の燃料ガス排出部から前記燃料電池スタック内のガスを排出させる、燃料電池システムの起動方法。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムの起動方法において、
前記（ｂ）の工程において、前記燃料電池スタック内のガスを、バッファタンクに貯蔵し、前記（ｃ）の工程に切り替わった後、前記バッファタンクから前記ガスを徐々に排気させる、燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、運転を停止すると、水素が供給されなくなるため、アノード側の水素は、空気に置き換えられていく。従来の燃料電池では、起動時に水素を加圧充填し、アノード内の空気を水素に置換するものが知られている（特許文献１）。一方、水素の供給口と排気口とを同じエンドプレート側に設ける方が、配管の引き回しや、水素の再利用の観点から好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３３１８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池では、水素の供給口と排気口とを同じエンドプレート側に設けた場合、水素の供給口と反対側のエンドプレートに近いセルにおいて、空気が水素に置換されにくいという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題の少なくとも１つを解決し、簡単な構成で、速やかに水素への置換を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックのスタック積層方向の第１の端部に接続された燃料ガス供給部と、前記第１の端部と反対側の前記燃料電池スタックの第２の端部に接続された第１の燃料ガス排出部と、前記第１の端部に接続された第２の燃料ガス排出部と、前記燃料ガスの前記燃料電池スタックへの供給、排出を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの起動時に、前記第２の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させ、前記燃料ガス供給部から燃料ガスを供給すると共に前記第１の燃料ガス排出部からガスを排出させて、前記燃料電池スタック内の燃料ガス流路中の残存ガスを前記燃料ガスに置換させ、前記燃料ガスへの置換後、前記第１の燃料ガス排出部からのガスの排出を停止させるとともに、前記第２の燃料ガス排出部からガスを排出させる、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で、速やかに水素への置換を行うことが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の燃料ガス排出部は、予め定められた圧力以上で開弁して、前記燃料電池スタック内のガスを排出するための排気弁を備える、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料ガスの圧力を利用して、一気に燃料ガスへの置換を行うことが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の燃料ガス排出部は、さらに、前記排気弁から排出されたガスを一時的に貯留するバッファタンクと、前記バッファタンクの下流側に接続され、前記バッファタンク内のガスを排気するための第２の排気弁と、
を備える、燃料電池システム。
燃料電池スタック内のガスには、燃料ガスが含まれる場合がある。この適用例によれば、燃料電池スタック内のガスをバッファタンクに一時的に貯留して、徐々に排気することが可能である。
【００１０】
［適用例４］
適用例２または適用例３の記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、  燃料タンクと、前記燃料タンクと前記燃料電池スタックの間に配置される燃料ガス供給圧力調整部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料ガス供給部に対して前記燃料電池システムの通常運転時における前記燃料ガスの供給圧力よりも高い圧力で前記燃料ガスを供給させる、燃料電池システム。
この適用例によれば、起動時における燃料電池スタック内の圧力を通常運転時よりも高めることが可能となり、その後、燃料ガスの圧力を利用して、一気に燃料ガスへの置換を行うことが可能となる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの起動方法、燃料電池システムの制御方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの燃料電池スタック近傍を模式的に示す説明図である。
【図３】燃料電池スタック内の空気が水素に置換されていく様子を示す説明図である。
【図４】第２の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、燃料ガス供給部２００と、酸化ガス供給部３００と、第１の燃料ガス排出部４００と、第２の燃料ガス排出部５００と、制御部６００と、を備える。例えば、燃料ガスとして水素を用い、酸化ガスとして空気を用いることが可能である。
【００１４】
燃料電池スタック１００は、エンドプレート１５０、１５５と、燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１１２と、酸化ガス供給マニホールド１２０と、酸化ガス排出マニホールド１２２と、を備える。エンドプレート１５０、１５５は、燃料電池スタック１００の両端に配置されている。燃料ガス供給マニホールド１１０は、図１に示す燃料電池スタック１００の右側端部のエンドプレート１５５から最左端の発電ユニット（図示せず）までは貫通しているが、燃料電池スタック１００の左側端部のエンドプレート１５０までは貫通していない。燃料ガス排出マニホールド１１２は、燃料電池スタック１００の右側端部から左側端部まで貫通している。酸化ガス供給マニホールド１２０と、酸化ガス排出マニホールド１２２とは、燃料電池スタック１００の左側端部から最右端の発電ユニット（図示せず）までは貫通しているが、燃料電池スタック１００の右側端部のエンドプレート１５５までは貫通していない。
【００１５】
燃料ガス供給部２００は、水素タンク２１０と、減圧弁２２０と、流量制御弁２３０とを備える。水素タンク２１０は、配管２４０により、燃料ガス供給マニホールド１１０に接続されている。減圧弁２２０と、流量制御弁２３０とは、配管２４０上に配置されている。
【００１６】
酸化ガス供給部３００は、空気取入口３１０と、エアポンプ３２０とを備える。空気取入口３１０は、配管３３０により、酸化ガス供給マニホールド１２０に接続されている。エアポンプ３２０は、配管３３０上に配置され、空気を圧縮して、燃料電池スタック１００に供給する。なお、エアポンプ３２０と、燃料電池スタック１００との間の配管３３０上に、圧縮された空気を冷却するためのラジエーターを備えていてもよい。
【００１７】
第１の燃料ガス排出部４００は、第１の排気弁４１０と、バッファタンク４２０と、第２の排気弁４３０と、を備える。第１の排気弁４１０と、バッファタンク４２０と、第２の排気弁４３０とは、配管４４０により、燃料ガス排出マニホールド１１２の左側に接続されている。すなわち、第１の燃料ガス排出部４００と燃料電池スタック１００との接続位置は、燃料ガス供給部２００と燃料電池スタック１００との接続位置と、燃料電池スタック１００のスタック積層方向について反対側である。
【００１８】
第１の排気弁４１０は、燃料電池システム１０の起動時に開いて、燃料電池スタック１００内のガスを排出するために用いられる。第１の排気弁４１０は、所定の圧力値で開くリリーフ弁として構成されていてもよく、制御部６００の制御により開くオン／オフ弁として構成されていてもよい。なお、リリーフ弁の開弁圧力は、燃料電池システム１０の通常運転時の燃料電池スタック１００の内部の圧力よりも高い値とすることが好ましい。バッファタンク４２０は、燃料電池スタック１００内のガスを、大気に放出する前に、一時的に貯留するために用いられる。第２の排気弁４３０は、バッファタンク４２０内のガスを大気に放出するために用いられる。
【００１９】
第２の燃料ガス排出部５００は、第３の排気弁５１０を備える。第３の排気弁５１０は、配管５２０により、燃料ガス排出マニホールド１１２の右側に接続されている。すなわち、第１の燃料ガス排出部４００の燃料電池スタック１００との接続位置は、燃料ガス供給部２００と燃料電池スタック１００との接続位置と、燃料電池スタック１００のスタック積層方向について同じ側である。第３の排気弁５１０は、燃料排ガスを排出するために用いられる。また、燃料電池スタック１００内の圧力を調整するためにも用いられる。
【００２０】
図２は、燃料電池システムの燃料電池スタック近傍を模式的に示す説明図である。燃料電池スタック１００は、積層された複数の発電ユニット１３０と、ガス遮断プレート１４０、１４５と、エンドプレート１５０、１５５とを備える。ここで、複数の発電ユニット１３０のうち、左側端部の発電ユニットを「左端発電ユニット１３０Ｌ」と呼び、右側端部の発電ユニットを「右端発電ユニット１３０Ｒ」と呼ぶ。
【００２１】
ガス遮断プレート１４０は、左端発電ユニット１３０Ｌの左側に配置されている。ガス遮断プレート１４０は、燃料ガス排出マニホールド１１２と、酸化ガス供給マニホールド１２０と、酸化ガス排出マニホールド１２２とを貫通させるための孔１４１〜１４３を備えている。ガス遮断プレート１４５は、右端発電ユニット１３０Ｒの右側に配置されている。ガス遮断プレート１４５は、燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１１２を貫通させるための孔１４６、１４７を備えている。
【００２２】
エンドプレート１５０は、ガス遮断プレート１４０の左側に配置されている。エンドプレート１５０は、燃料ガス排出マニホールド１１２と、酸化ガス供給マニホールド１２０と、酸化ガス排出マニホールド１２２とを貫通させるための孔（符号を付せず）を備えている。エンドプレート１６０は、ガス遮断プレート１４５の右側に配置されている。エンドプレート１６０は、燃料ガス供給マニホールド１１０と、燃料ガス排出マニホールド１１２を貫通させるための孔（符号を付せず）を備えている。なお、図２では、燃料電池スタック１００は、ガス遮断プレート１４０、１４５と、エンドプレート１５０、１５５とを別個に備えているが、ガス遮断プレート１４０、１４５を備えず、エンドプレート１５０、１５５がガス遮断プレート１４０、１４５の機能を兼ねていてもよい。
【００２３】
燃料電池システム１０の起動時の動作について説明する。制御部６００は、まず、流量制御弁２３０と、第２の排気弁４３０と、第３の排気弁５１０とを閉じる。また、制御部６００は、減圧弁２２０の圧力を起動時の充填圧力Ｐａに設定する。また、第１の排気弁４１０が開く開弁圧力Ｐｃは、燃料電池システム１０の通常運転時の圧力Ｐｂよりも高い圧力に予め設定されている。
【００２４】
ここで、圧力Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃは、おおよそ、Ｐａ≫Ｐｃ＞Ｐｂの関係となっていればよい。例えば、燃料ガス供給側の配管２４０の容積と燃料電池スタック１００のアノード内容積の和Ｖａと、燃料ガス排出側の配管４４０の容積とバッファタンク４２０の容積の和Ｖｂと、の比を用いて、充填圧力Ｐａを決定してもよい。起動時には、燃料電池スタック１００や配管２４０、４４０、バッファタンク４２０の内部の圧力は、大気圧（１気圧）になっている。このときの気体状態方程式は、
ＰＶ＝１・（Ｖａ＋Ｖｂ）＝ｎＲＴ  ・・・（１）
である。これを、燃料ガス排出側の配管４４０とバッファタンク４２０に押し込めると、体積はＶｂとなる。このときの圧力をＰｘとすると、気体の状態方程式は、
Ｐｘ・Ｖｂ＝ｎＲＴ  ・・・（２）
となる。したがって（１）式、（２）式より、
Ｐｘ＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｖｂ  ・・・（３）
となる。したがって、充填圧力Ｐａを、
Ｐａ≧Ｐｘ＝（Ｖａ＋Ｖｂ）／Ｖｂ  ・・・（４）
を満たすように設定してもよい。こうすれば、燃料電池スタック１００の内部を水素に置換することが可能である。逆に、充填圧力Ｐａを決めた後、充填圧力Ｐａの値を用いて、バッファタンク４２０の容量を決めてもよい。これは、（３）式をＶｂについて解けばよく、
Ｖｂ＝Ｖａ／（Ｐａ−１）  ・・・（５）
となる。バッファタンク４２０の大きさは、Ｖｂから燃料ガス排出側の配管４４０の容積を引いた大きさにしてもよい。この結果から、充填圧力Ｐａを大きくした方が、バッファタンク４２０の大きさを小さくすることが可能である。
【００２５】
制御部６００が流量制御弁２３０を開くと、水素タンク２１０内の水素は、燃料電池スタック１００に流入し、燃料電池スタック１００内の圧力を上昇させる。燃料電池スタック１００内の圧力が第１の排気弁４１０の開弁圧力Ｐｃまで上昇すると、第１の排気弁４１０が開く。燃料電池スタック１００内部の圧力は、バッファタンク４２０内の圧力（大気圧）よりも大きい。従って、第１の排気弁４１０が開くと、燃料電池システム１０が運転停止していた間に燃料電池スタック１００のアノード流路（燃料ガス供給マニホールド１１０、燃料ガス排出マニホールド１１２、各発電ユニット１３０内の燃料ガス流路（図示せず））に溜まっていた空気は、水素タンク２１０から供給された水素と共に、バッファタンク４２０に流れ込む。これにより、燃料電池スタック１００内のアノード流路は、水素に置換される。なお、第１の排気弁の開弁圧力Ｐｃを大きく設定しておくことにより、燃料電池スタック１００内を一気に水素に置換することが可能である。これにより、起動時に、空気と水素とが共存することにより発生する触媒層の触媒担持カーボンの酸化を抑制し、触媒層が劣化することを抑制することが可能となる。
【００２６】
燃料電池スタック１００内のアノード流路の圧力が充填圧力Ｐａまで上昇すると、制御部６００は、第１の排気弁４１０を閉じ、減圧弁２２０の設定圧力を、燃料電池システム１０の通常運転時の圧力Ｐｂに設定する。その後、制御部６００は、第３の排気弁５１０を開け、エアポンプ３２０を動作させて燃料電池スタック１００に空気を供給し、燃料電池システム１０を通常運転させる。
【００２７】
図３は、燃料電池スタック内の空気が水素に置換されていく様子を示す説明図である。なお、図３では、第１の排気弁４１０の記載を省略している。本実施例では、起動時には、水素の排出方向と、起動時における水素の排出方向が反対側のため、図３(ａ)から（ｅ）に示すように、燃料電池スタック１００の右上から左下に向かって、空気が水素に置換される。したがって、水素が置換されにくい発電ユニットが生じにくい。
【００２８】
また、第１の排気弁４１０として、リリーフ弁を使用すれば、燃料電池スタック１００内の圧力が第１の排気弁４１０の開弁圧力Ｐｃになったときに開く。したがって、この開弁圧力Ｐｃと、バッファタンク４２０の当所の圧力（ほぼ大気圧）との差を用いて、一気に水素に置換することが可能である。
【００２９】
なお、図３のように、燃料電池スタック１００内に残存する空気を水素に置換する際に、水素の一部が配管４４０から流出する場合がある。本実施例では、バッファタンク４２０を備えているので、この流出した水素をバッファタンク４２０に回収することが可能である。なお、この水素は、第２の排気弁４３０を開くことにより、徐々に大気に放出することが可能である。
【００３０】
［第２の実施例］
図４は、第２の実施例に係る燃料電池システムを模式的に示す説明図である。第２の実施例では、燃料ガス供給部２００の配管２４０と、第２の燃料ガス排出部５００の配管５２０との間に、循環ポンプ７００を備えている。循環ポンプ７００は、通常運転時に、第２の燃料ガス排出部５００に排出される水素を、燃料ガス供給部２００に送る。これにより、通常運転時において、水素を効率よく利用することが可能である。なお、図４に示した水素パージを行う場合には、循環ポンプ７００は停止し、これによって、水素の循環が阻止される。なお、必要に応じて、循環ポンプ７００の前後にオン／オフ弁を設けて、水素循環の有無を制御する用にしてもよい。このような、水素ガスを循環させるシステムであっても、本発明を適用することが可能である。
【００３１】
上記説明では、バッファタンク４２０を備えている燃料電池システム１０を例にとり説明したが、バッファタンク４２０は省略してもよい。
【００３２】
本実施例では、起動時の水素の充填圧力を、通常運転時の供給圧力よりも高くしているが、起動時の水素の充填圧力は、通常運転時の供給圧力と同じであってもよい。起動時の水素の供給圧力が、通常運転時の供給圧力と同じであっても、第１の燃料ガス排出部が、燃料ガス供給部と反対側に接続され、第２の燃料ガス排出部が、燃料ガス供給部と同じ側に接続されていれば、燃料電池スタック１００内の空気を水素に容易に置換することが可能である。
【００３３】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３４】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１１０…燃料ガス供給マニホールド
１１２…燃料ガス排出マニホールド
１２０…酸化ガス供給マニホールド
１２２…酸化ガス排出マニホールド
１３０…発電ユニット
１３０Ｌ…発電ユニット
１３０Ｒ…発電ユニット
１４０…ガス遮断プレート
１４１〜１４３、１４６、１４７…孔
１４５…ガス遮断プレート
１５０…エンドプレート
１６０…エンドプレート
２００…燃料ガス供給部
２１０…水素タンク
２１０…高圧水素タンク
２２０…減圧弁
２３０…流量制御弁
２４０…配管
３００…酸化ガス供給部
３１０…空気取入口
３２０…エアポンプ
３３０…配管
４００…第１の燃料ガス排出部
４１０…第１の排気弁
４２０…バッファタンク
４３０…第２の排気弁
４４０…配管
５００…第２の燃料ガス排出部
５１０…第３の排気弁
５２０…配管
６００…制御部
７００…循環ポンプ
【図１】
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【図２】
2010165639.tif 000004
【図３】
2010165639.tif 000005
【図４】
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